3. Aufgabe: Bitmap-Datei

Transkript

1 1 Einleitung 3. Aufgabe: Bitmap-Datei In dieser Programmieraufgabe soll eine Grafik erstellt und gespeichert werden. Es wurde das Bitmap-Format von Microsoft gewählt, da es recht einfach erstellt und von den meisten Grafikprogrammen gelesen werden kann. Diese Aufgabe beschränkt sich dabei auf eine Farbtiefe von 24 Bit, genannt true color, mit jeweils 8 Bit für die Farben rot, grün und blau (RGB), und versucht nicht allgemein das Bitmap-Grafikformat mit allen Optionen zu implementieren. 2 Grundlagen Eine Bitmap-Datei ist wie folgt aufgebaut: file header (14 Byte) info header (40 Byte) [look up table, LUT] pixel data Im file header stehen Informationen zur Datei im Allgemeinen Im info header stehen Angaben zum Bild wie Bildgröße, Art der Farben u.s.w. Die look up table (LUT ) ist eine optionale Farbtabelle, die in diesem Praktikum nicht verwendet wird Im Block pixel data stehen die Pixeldaten des Bildes Im Folgenden werden zunächst einige elementare Datentypen eingeführt, danach werden die vier Blöcke näher erläutert. Schließlich befassen wir uns mit der Speicherbelegung für die benötigten Strukturen. 2.1 Einige elementare Datentypen Damit das Dateiformat unabhängig von Rechnerplattform und Software ist, werden vier neue Datentypen eingeführt, die unter Visual Studio 2015 gemäß Tabelle 1 definiert werden. Typenname in VS 2015 Beschreibung BYTE unsigned char 1 Byte mit Wertebereich 0 bis WORD unsigned short 2 Byte mit Wertebereich 0 bis DWORD unsigned int 4 Byte mit Wertebereich 0 bis LONG long 4 Byte mit Wertebereich 2 31 bis Tabelle 1: Elementare Datentypen 2.2 Der file header Der file header fasst die in Tabelle 2 aufgelisteten Elemente zusammen. Er hat eine Länge von 14 Byte und die Elemente werden in einer Struktur gebündelt Prof. Dr. Robert Heß 1/6

2 Datentyp Name Wert Beschreibung WORD type Die Buchstaben B und M als Kennung: B + 256* M = DWORD filesize <Dateigröße> Größe der gesamten Datei DWORD reserved 0 Für spätere Zwecke reserviert DWORD offbytes 54 Position der Pixeldaten in der Datei Tabelle 2: Die Struktur für den file header. type. In die ersten zwei Bytes werden die ASCII-Codes der Buchstaben B und M gespeichert und in dem Element type zusammengefasst. (Beim Schreiben des Typs WORD wird das niederwertige Byte zuerst geschrieben. Mit der Formel type= B +256* M wird B in das niederwertige und M in das höherwertige Byte geschrieben.) filesize. Die Dateigröße filesize muss berechnet werden und gibt in Summe die Größe der vier Blöcke in Byte an. reserved. Dieses dritte Element ist für spätere Versionen des Formats vorgesehen und wird bis dahin immer mit dem Wert 0 beschrieben. offbytes. Schließlich wird als viertes Element die Position der Pixeldaten innerhalb der Datei angegeben. Für Bilder im true color Format beträgt dieser Wert immer 54, was der Summe der Größe der ersten zwei Blöcke entspricht. 2.3 Der info header Der info header setzt sich aus den in Tabelle 3 aufgelisteten Elementen zusammen und hat eine Größe von 40 Byte. Datentyp Name Wert Beschreibung DWORD infosize 40 Größe des info headers LONG width <Breite> Breite des Bilds in Pixeln LONG height <Höhe> Höhe des Bilds in Pixeln WORD planes 1 Anzahl der Bildebenen (immer 1) WORD bitcount 24 Bits pro Pixel (hier jeweils 8 Bit für die Farben) DWORD compression 0 Art der Kompression (0 für keine Kompression) DWORD imagesize 0 Größe der Pixeldaten in Byte (0 = automatisch) LONG xpixelspermeter 1000 Pixel/Meter in x-richtung (hier 1 Pixel = 1 mm) LONG ypixelspermeter 1000 Pixel/Meter in y-richtung (hier 1 Pixel = 1 mm) DWORD colorused 0 Anzahl der verwendeten Farben in LUT DWORD colorimportant 0 Anzahl der wichtigen Farben in LUT Tabelle 3: Die Struktur für den info header. In diesem Praktikum muss nur die Bildgröße angepasst werden. Alle anderen Werte bleiben unverändert. Auf die Details der anderen Elemente wird hier nicht weiter eingegangen. 2.4 Die look up table, LUT Die LUT dient einigen Varianten des Bitmap-Formats und ist von daher optional. In diesem Praktikum wird sie nicht verwendet und wird hier nicht weiter behandelt Prof. Dr. Robert Heß 2/6

3 2.5 Der Block pixel data Im Block pixel data stehen die Pixeldaten des Bildes. Je nach gewählter Variante werden hier entweder direkt die Farben eingetragen (true color), oder es finden sich hier Indices, mit denen über die LUT die Farben der Pixel ermittelt werden. In diesem Praktikum verwenden wir ausschließlich die Variante true color. Für die Farben erstellen wir eine weitere Struktur, siehe Tabelle 4. Die Pixel eines Bildes werden beginnend mit der untersten Zeile des Bildes von links nach rechts in die Datei eingetragen. Datentyp Name Wert Beschreibung BYTE blue <blau> blauer Farbanteil im Pixel BYTE green <grün> grüner Farbanteil im Pixel BYTE red <rot> roter Farbanteil im Pixel Tabelle 4: Die Struktur für true color pixel. Wichtiger Hinweis: Auch wenn die Bilder beliebig breit sein können, muss in der Datei die Anzahl der Bytes pro Zeile ein vielfaches von vier betragen! Um das zu erreichen, müssen am Ende einer jeden Pixelzeile zwischen null und drei Bytes angehängt werden. Diese angehängten Bytes müssen auch bei der Berechnung der Dateigröße im file header berücksichtigt werden. Die angehängten Bytes sind nur ein Lückenfüller und werden von Grafikprogrammen bei der Anzeige nicht ausgewertet. Beispiel: Wenn ein Bild 19 Pixel breit sein soll, werden true color Format pro Zeile 3*19=57 Bytes für die Pixeldaten benötigt. Um ein Vielfaches von 4 zu erreichen (60), müssen beim Speichern bei jeder Zeile drei Byte angehängt werden. Siehe auch Abbildung 1 für eine Breite von fünf Pixeln. Abbildung 1: Beispiel für angehängte Bytes: Bei einer Breite von 5 Pixeln muss an jede Zeile ein Byte angehängt werden, damit die Anzahl der Bytes ein Vielfaches von vier ergibt. 2.6 Ausrichtung der Elemente einer Struktur im Speicher Die Elemente einer Struktur werden standardmäßig im Speicher auf 8 Byte-Blöcke ausgerichtet. Dadurch wird vermieden, dass ein Element unnötig eine 8 Byte-Grenze überschreitet. Das führt dazu, dass an einigen Stellen eine Lücke in Kauf genommen wird, um im Gegenzug die Geschwindigkeit zu erhöhen. Diese Lücken führen dazu, dass eine Struktur im Speicher mehr Platz als die Summe der Elemente der Struktur belegt. Beim Schreiben oder Lesen einer Struktur als Ganzes führt das zu Problemen. Um das zu vermeiden, kann dem Compiler explizit mitgeteilt werden, dass er seine Elemente an einem anderen Raster ausrichtet. Folgende Zeile sorgt dafür, dass alle folgenden Strukturen auf ein Raster von nur 2 Byte ausgerichtet werden: Prof. Dr. Robert Heß 3/6

4 #pragma pack(push, 2) Der Befehl für den Pre-Compiler pragma gibt Anweisungen an den Compiler. Der Befehl pack ist für die Ausrichtung von Strukturelementen im Speicher zuständig. Mit push wird dafür gesorgt, dass der alte Wert für die Speicher-Ausrichtung gespeichert wird. Mit der Zahl 2 werden die Elemente von Strukturen ab dieser Zeile auf zwei Byte ausgerichtet. Die folgende Zeile hebt den vorherigen Befehl wieder auf: #pragma pack(pop) Mit pop wird die zuvor mit push zwischengespeicherte Speicher-Ausrichtung wieder reaktiviert. Schreiben Sie diese beiden Zeilen um Ihre Struktur-Deklarationen herum, um Probleme beim Schreiben und Lesen einer Bitmap-Datei zu vermeiden. 3 Obligatorische Aufgaben 3.1 Strukturen anlegen Deklarieren Sie in einer Headerdatei bitmap.h die oben angegebenen Typen und Strukturen und vergeben Sie mit typedef folgende Namen: BYTE, WORD, DWORD, LONG, tfileheader, tinfoheader und trgb. Prüfen Sie mit sizeof(tfileheader), dass die Größe der Struktur genau 14 Byte beträgt. Erstellen Sie als nächstes wieder in bitmap.h eine Struktur für die gesamte Bitmap gemäß Tabelle 5. Geben Sie der Struktur mit typedef den Namen tbmp und definieren Sie in main() einen Zeiger auf diesen Typ mit Namen bmp und initialisieren Sie ihn mit NULL. Datentyp Name Beschreibung tfileheader* pfile Zeiger auf den file header tinfoheader* pinfo Zeiger auf den info header trgb** pixel Zeiger für Pixeldaten char* data Zeiger zur dynamischer Speicherreservierung Tabelle 5: Die Struktur für den file header. Ähnlich wie beim Arbeiten mit Dateien soll diese Variable als Bindeglied zwischen allen Funktionen zum Bearbeiten der Bitmap dienen. 3.2 Strukturen initialisieren Erstellen Sie in einer Quellcodedatei bitmap.c eine Funktion zum Erstellen und Initialisieren einer Bitmap: tbmp createbmp ( int width, int height ) ; In einem ersten Schritt muss dynamischer Speicher reserviert und die Zeiger dafür initialisiert werden. Es werden drei Speicherblöcke benötigt: 1. Speicher für die Struktur tbmp. 2. Speicher für die Daten der Bitmap. In diesem Speicherblock werden hintereinander der file header, der info header und die Pixeldaten gespeichert. Dieser Block kann später als ganzes in eine Datei geschrieben werden Prof. Dr. Robert Heß 4/6

5 3. Speicher für einen Zeigervektor, über den die Pixel als zweidimensionaler Vektor angesprochen werden können. Für eine Bitmap mit 3 3 Pixeln ist die Verknüpfung der Speicherblöcke in Abbildung 2 schematisch dargestellt. xxx steht für die angehängten Bytes (hier drei Bytes), damit die Anzahl der Bytes pro Zeile durch vier teilbar ist. tbmp* Zeiger auf Bitmap (statisch) tfileheader* tinfoheader* trgb** char* tbmp (dynamisch) Zeigervektor (dynamisch) trgb* trgb* trgb* Bitmap (dynamisch) tfileheader tinfoheader trgb trgb trgb xxx trgb trgb trgb xxx trgb trgb trgb xxx Abbildung 2: Speicherbelegung der Stukturen. Nachdem die Datenstrukturen erstellt und verlinkt wurden, müssen danach alle Datenfelder initialisiert werden. Gehen Sie dafür die Tabellen 2 und 3 durch und füllen Sie die Strukturelemente entsprechend auf. Initialisieren Sie die Pixeldaten mit null (schwarzes Bild). Bei einem Fehler soll die Adresse NULL zurückgeben werden. 3.3 Bitmap freigeben Erstellen Sie in der Quellcodedatei bitmap.c eine Funktion, die den Speicher der Bitmap freigibt: void freebmp ( tbmp bmp ) ; Die Funktion prüft, ob die Bitmap vorhanden ist (d.h. bmp!=null), und gibt dann ggf. den reservierten Speicher frei. 3.4 Bitmap in eine Datei schreiben Erstellen Sie in der Quellcodedatei bitmap.c eine Funktion, welche die erstellte Bitmap binär in eine Datei schreibt: int writebmp ( char filename, tbmp bmp ) ; Die Bitmap kann mit einem einzigen fwrite()-befehl in die Datei geschrieben werden. 3.5 Funktion zum Zeichnen eines Pixels Erstellen Sie eine Funktion zum Zeichnen eines Pixels: void setpixelbmp ( int x, int y, BYTE red, BYTE green, BYTE blue, tbmp bmp ) ; Die Funktion prüft, ob eine Bitmap vorhanden ist und ob sich die Koordinaten x und y innerhalb des Bildes befinden. Ist dies der Fall, trägt die Funktion die übergebenen Farben an der entsprechenden Stelle in das Bitmap ein Prof. Dr. Robert Heß 5/6

6 3.6 Zusammenfassung in einem Programm Fassen Sie die bisher erstellten Programmstücke in einem Hauptprogramm zusammen. Fragen Sie vom Benutzer die Größe des Bildes ab, erstellen Sie die Bitmap, zeichnen Sie einige Pixel mit unterschiedlichen Farben und schreiben Sie die Bitmap in eine Datei. Das Bild können Sie z.b. mit Paint von Microsoft lesen und weiter bearbeiten. 4 Optionale Aufgaben 4.1 Funktion zum Zeichnen einer Linie Erstellen Sie eine Funktion zum Zeichnen einer Linie: void drawlinebmp ( int x1, int y1, int x2, int y2, BYTE red, BYTE green, BYTE blue, tbmp bmp ) ; Es sollen beliebige Koordinaten möglich sein. Liegen die Koordinaten außerhalb des Bildes, so soll nur der sichtbare Teil der Linie gezeichnet werden. 4.2 Funktion zum Zeichnen eines Kreises Erstellen Sie eine Funktion zum Zeichnen eines Kreises: void drawcirclebmp ( int xmid, int ymid, int radius, BYTE red, BYTE green, BYTE blue, tbmp bmp ) ; 4.3 Funktion zum Zeichnen eines ausgefüllten Rechtecks Erstellen Sie eine Funktion zum Zeichnen eines ausgefüllten Rechtecks: void drawbarbmp( int x1, int y1, int x2, int y2, BYTE red, BYTE green, BYTE blue, tbmp bmp ) ; Viel Erfolg beim Programmieren! Prof. Dr. Robert Heß 6/6